基于STM32的電纜管道智能巡檢小車設計*

馬海霞，趙 睿，馮瑞玨，龍華釗

（1.廣州城市理工學院電氣工程學院，廣州 510800；2.廣東機電職業技術學院電氣技術系，廣州 510515）

0 引言

隨著中國經濟迅速發展，電網建設加快，特別是配電網規模逐步擴大，導致城市空間擁擠，在土地資源稀缺及城市美化需求的情況下，電力電纜線路正在被大范圍地使用。配電網電纜通道分布廣，一直是巡檢的重點。但由于其環境空間有限，情況復雜，也是巡視工作的難點[1]。排管敷設是配電網電纜一種常見的敷設方式，是一種將電纜安裝于預先鋪設好的地下管道內的安裝方式[2]。例如在穿過馬路等區域時，為了防止車輛碾壓等因素破壞電纜，需要使用排管敷設的方式進行電纜安放。實際在工程中會留出設計冗余，防止由于將來該地區用電量增加需要重新架設管道。所以有一部分備用電纜管道未敷設電纜，屬于閑置狀態。長期閑置的管道有可能在閑置的時間內出現諸如因為其他單位不當施工造成損傷、有異物進入管道、敷設錯位等問題。需要有效的巡檢工具發現這些缺陷以便能及時檢修，使施工能夠順利及時地進行。目前智能機器人技術快速發展，使得利用機器人巡檢成為可能。機器人代替人工巡檢可以有效地解決電纜通道巡檢的難點，而且有效地提高巡檢的安全性。研究不同的爬行方式，以最大限度地克服電纜通道的復雜情況，實現可通行不同環境的機器人載體，并搭載有效的攝像頭，以實現電纜通道內的可視化巡檢目的。目前，國外的管道機器人費用較高，不適合我國的國情；國內關于管道機器人的研究還處于研究階段，尤其是應用于電力系統電纜排管的管道機器人在國內還較少[3-5]。本文旨在設計一種用于電纜通道巡檢的智能小車來代替人工巡檢，有效預防隱蔽電纜的故障隱患，避免了人員在電纜通道內巡檢所存在的觸電或接觸有害氣體等風險，減少停電檢修的范圍，減少不必要的開挖，可以提高電力系統運行的安全穩定性，提升電纜通道智能化管理水平。本設計在提升供電可靠性的同時，可以顯著降低運行電纜故障造成的社會影響，以提升電力企業的客戶滿意度。

1 智能電纜管道小車總體設計

如圖1所示，電纜管道智能巡檢小車系統主要由小車本體、攝像頭和手持設備/PC三部分構成。小車設置安全繩，防止其因故障無法返回出口。使用時，將小車攝像頭朝前放入電纜排管內，將安全繩掛在小車尾部，啟動開關，電池為小車提供電源，通過手持設備操作小車，遙控小車可以在管道中前進、后退或停滯，在PC端上位機監控系統可以監控到管道內圖像。

圖1 系統結構

如圖2所示，智能巡檢小車使用STM32單片機作為主控芯片[6-7]，動力由無刷電機提供，行駛速度約0.1 m/s。具有一定爬坡和過彎管能力，能爬上10°的斜坡，適應不大于5°的彎曲度。小車帶有攝像頭模塊，采用LED燈照明，能觀察前方及管壁的可見光圖像情況，通過WiFi模塊將圖像實時傳回到手持設備，圖像分辨率為320×240，圖像傳輸速度為1幀/s。牽引繩由牽引滌綸繩和繞線盤組成，主要作用為計算小車距起點距離，以及作為在事故時將小車拉出電纜排管的安全繩。上位機通過WiFi向單片機發送指令，單片機接收到指令后按要求驅動運動裝置向目標位置運動。系統的電源為鋰電池，為了計算鋰電池的剩余容量，使用電壓表實時測量電源兩端電壓，并由鋰電池電壓與剩余容量的關系推算剩余容量。上位機接收到單片機的信息后，解包為圖片和數據，可在PC端和手持設備端進行查看。

圖2 電纜管道智能巡檢小車設計方案

2 硬件設計

本文選用STM32系列單片機中的STM32F103ZET6作為主控芯片，ESP8266模塊作為WiFi無線通訊、OV7725攝像頭作為圖像采集模塊、無刷電機作為運動控制部分、LED作為照明輸出部分。

2.1 單片機選用

本設計是選用意法半導體（STMicroelectronics）公司的STM32F103ZET6處理器。TM32F103ZET6使用ARM?Cortex?-M3 32位的RISC內核，其時鐘頻率可達72 MHz，內置了包括512 k字節的閃存和64 k字節的高速存儲器（SARAM），同時擁有包括2個高級定時器、4個通用定時器、2個基本定時器共8個定時器，通信接口有2個I2C接口，5個USART接口等，共144個引腳。

2.2 攝像頭模塊

本系統選用OV7725攝像頭[8-9]，攝像頭由廣角鏡頭、OV7725傳感器組成。考慮到所使用的單片機緩存較小，攝像頭模塊額外搭載了一塊FIFO緩存芯片。當光線照到感光窗口上時，感光矩陣上產生與色光對應的電信號，經過處理后的電信號進入FIFO中緩存，然后通過GPIO串口傳輸到單片機中。OV7725為CMOS類數字圖像傳感器，該傳感器支持輸出最大30萬像素（640×480分辨率）圖像，OV7725有工作電壓低、體積小的優點，支持通過VGA或QVGA時序輸出圖像數據，輸出圖像的數據格式支持YUV(422/420)、YCbCr422以及RGB565格式。本設計中使用的圖像輸出大小為240×320，輸出圖像格式為RGB565。由于感光窗口需要，OV7725傳感器采用BGA封裝，引腳全部在背面引出。OV7725的數據輸出端口連接到FIFO的對應接口上，再與單片機相連。

2.3 無線通訊模塊

本系統中選擇使用ESP8266模塊[10-12]進行無線通信。該模塊體積小且功耗低，性價比高。ESP8266使用802.11 b/g/n無線標準，頻率范圍為2.4～2.5 GHz，能使用PCB板載天線與上位機通信。工作電壓為3.3 V，平均工作電流80 mA，能使用UART、PWM、GPIO端口與單片機通信，安全機制可選WPA/WPA2。如圖3所示WiFi的客戶端與無線訪問接入點（AP）之間的連接需要經過“四次握手”。

圖3 上位機與下位機通訊過程

2.4 電源模塊

本文使用聚合物鋰電池供電，鋰離子電池由于其可重復充放電、工作溫度廣、容量大的特性，適合用于本設計。單塊鋰電池電壓上限為4.2 V，電壓下限為2.4 V。雖然鋰電池能放電到2.4 V，但實際使用中禁止放電到如此低的電壓，經過測試，鋰電池從4.2 V到3.0 V區間內，所釋放的能量占電池總容量的97%左右，所以電池使用不應低于2.4 V電壓。鋰電池會出現自放電現象，即使不使用，它的電壓還是會在一個較長的時間內自動下降，因此，長時間閑置的鋰電池需要定期進行保養性充電。綜上，3.0 V是一個理想的放電截止電壓。在實際使用時，放電到3.7 V時，電池內能量就會消耗掉80%。此時的電壓可作為電池電量的20%警戒線，一般來說，使用到剩余20%電量就停止使用，有利于延長鋰電池使用壽命。過度充電（指充電到4.2 V以上）和過度放電都會對鋰電池本身產生不可逆的損害，導致鋰原子在電芯材料表面產生樹枝狀結晶，結晶生長到一定程度會刺破電芯正負極間的隔膜，電池因此短路，甚至可能發生爆炸。由于鋰電池電壓與其剩余容量相關的特性，可以通過測量電池兩極的電壓，由電源電壓即可推算出電池剩余容量。鋰電池剩余電量與鋰電池電壓關系如圖4所示。由于鋰電池在以不同的電流放電時的電壓會出現波動，所以直接測量電壓求出當前剩余電量并不準確。在大電流設備用電時這種方法會出現剩余電量快速下降，停用大電流設備后電量又升高的現象。更準確的方法是使用庫侖計測量電池當前的電流和電壓信息，通過電池總容量減去電流電壓的時間積分得出準確的電量信息。

圖4 鋰電池電量與其電壓的關系曲線

由鋰電池直接引出的電壓并不能直接供給單片機使用。單片機的使用電壓為3.3 V，單塊鋰電池輸出電壓為4.2 V。需要使用穩壓模塊對電源進行一定的處理，才能給單片機供電。本次設計中選擇使用RT9161A-33GX低壓差線性穩壓芯片，如圖5所示。通過使用此芯片，將來自鋰電池的4.2～3.7 V電壓穩壓到3.3 V。然后在穩壓模塊的兩端分別并聯一個電容，用于輸入濾波和輸出濾波。

圖5 穩壓模塊

2.5 直流有刷電機換向電路

不同于步進電機或無刷電機，直流有刷電機只有兩個供電引腳，在需要換向時通過調換兩個引腳的輸入才能達到換向的功能。調換引腳的輸入在機械電路上容易實現，通過電磁繼電器可以實現，但在電子電路中，由于電路不可移動，調換輸入輸出比較困難，故此需要設計電路以電子元件實現輸入反轉。如圖6所示，通過一個H橋電路，控制電機兩極的三極管即可實現控制輸入反轉，但傳統直接控制需要使用到4個GPIO口，比較浪費單片機端口。改進后的電路把上下橋臂連接在一起，只需要使用兩個GPIO口就可實現使用單片機串口控制直流有刷電機的正轉和反轉。需要注意的是，Q1與Q2、Q3與Q4不能同時接通，否則會因為電流過大而燒毀三極管。假設電流從左到右經過電機為電機正轉方向，此時，PB14置高電平，PB15置低電平，使三極管Q1和Q4同時導通，Q2與Q3同時截止即可實現電機正轉。當需要電機反轉時，PB15與PB14兩個引腳的電平倒置，使三極管Q2和Q3同時導通，Q1與Q4同時截止，此時電機就會反向轉動。

圖6 直流有刷電機換向電路

2.6 照明模塊

照明模塊由白光LED并聯組成，由3.3 V供電，提供管道內照明。照明模塊使用機械開關與單片機的Vcc直接相連。如圖7所示。

圖7 LED照明電路

3 軟件設計

3.1 上位機設計

如圖8所示，本系統的上位機使用C#語言開發。本系統上位機界面主要由視頻顯示界面與操作界面組成，視頻界面用于接收圖像信息，操作界面用于實現操作按鈕、顯示操作信息。同時，為了連接下位機，該上位機能通過設置網絡端口，與連接了本機WiFi的下位機進行端口匹配。

圖8 上位機

3.2 下位機設計

如圖9所示，開機后，系統會先進行自檢，檢測攝像頭是否在線，若不在線則輸出無攝像頭的字符串，若有則繼續運行接下來的程序。自檢后，單片機開啟ESP8266模塊，根據預設的信息自動搜索上位機的WiFi信號，找到對應名稱與密碼的上位機后，單片機開始連接上位機，并查找并連接上位機中的服務器端口。當系統與上位機連接成功后，系統會自動向上位機傳輸圖像。在完成連接的系統中，若在程序執行時，上位機傳入運動命令，則會觸發中斷，單片機開始執行上位機的命令，直到命令結束。考慮到一直處于中斷狀態會導致圖像顯示卡頓，系統的行走命令由兩段進行，接收到前進指令后先打開并保持電機電源，然后每隔一個很小的時間會重復檢測這一命令，若上位機沒有繼續傳入前進命令則關閉電機電源。由于單片機時鐘頻率很高，處理指令快，這樣處理中斷指令并不會造成視頻傳輸的卡頓。

圖9 下位機程序流程

4 實物搭建與實驗測試

搭建實物模型如圖10所示，本智能巡檢小車可以在?150 mm、?160 mm、?200 mm等幾種不同的電纜排管環境下工作。小車經過多次爬坡實驗、越障實驗、管道行走實驗，證明該系統能夠穩定運行。通過對成品的測試，續航時間大于或等于30 min，爬坡角度大于或等于10°，有效通信距離大于或等于40 m，圖像傳輸速度大于15幀/秒。

圖10 電纜管道智能巡檢小車實物

5 結束語

隨著中國的發展，用電量大幅提高，城市電纜敷設量迅速增加，同時也帶來了大量的巡檢工作，增加電力巡檢人員的負擔。電纜備用排管的巡檢難度較大，本文針對此問題設計了一種智能巡檢小車，主要由STM32最小系統、照明模塊、運動模塊、上位機幾個部分構成，實現了對電纜排管內部圖像的實時監測。經過測試，該系統能夠穩定運行。由于電纜排管內部無照明，因此攝像頭模塊針對該環境進行了一定調節，保證圖像質量。上位機使用C#語言開發，用于接收單片機傳輸的圖像與控制下位機的運動。該系統能夠使用在閑置管道施工前的檢測中，大幅度提高施工人員對管道內情況的掌握程度，有效減少施工前準備時間，有利于電纜穿管施工。